Science丨45个RNA核苷酸核酶重写生命起源故事

编译丨酶美

“RNA世界”假说长期以来一直受到一个“先有鸡还是先有蛋”困境的困扰，即分子复杂性悖论。为了启动进化过程，前生物化学过程必须产生一种能够自我复制的核酶。然而，过往研究表明功能的复杂性与大小成正比。这些大型催化剂，如“Class I 聚合酶”（通常为150-300个核苷酸）-过于复杂，无法从随机的前生物寡聚体中自发出现，并且在没有现有高保真机制的情况下，其长度也过长而无法被准确复制。因而陷入了一个循环：你需要一台大型机器来建造一台大型机器，但第一台机器出现的概率微乎其微。

近日，Science发表了来自MRC分子生物学实验室的Philipp Holliger/Edoardo Gianni团队的研究：

A small polymerase ribozyme that can synthesize itself and its complementary strand

复杂性不依赖于规模

几十年来，RNA催化聚合的标杆一直是源自Class I连接酶的核酶，例如5TU聚合酶。这些分子长达150-300个核苷酸，代表了巨大的“合成和保真度负担”。它们远比任何观察到的非生物形成的RNA序列要长，使得它们的自发出现在统计学上几乎不可能。

QT45通过证明“功能复杂性”并非严格与长度挂钩，代表了一种范式转变。通过在仅45个核苷酸内实现迭代的、区域特异性的3′-5′磷酸二酯键形成，QT45调和了RNA世界的竞争性需求。

“这导致了RNA自我复制的看似矛盾的要求，即核酶必须又大又复杂才能编码聚合酶活性，但同样的尺寸和复杂性既阻碍了它们的自我复制，也阻碍了它们的初始出现。”

整体平衡——克服模板障碍

一个自我复制的核酶面临着一个独特的物理危机：它必须同时具备两种状态。为了作为催化剂发挥作用，RNA（+）链必须折叠成稳定的三维结构；然而，为了作为自身复制的模板，它必须保持未折叠状态且可被访问。

QT45通过一种“整体平衡”解决了这个问题，其中RNA群体在折叠态和未折叠态之间转换。这通过"动力学捕获"得以实现：1）协同结合：三核苷三磷酸（三体）底物协同结合到模板上。2）群体转移：这种结合增加了未折叠状态的群体，有效地将RNA“捕获”在适合模板的构象中，而不会永久性地破坏活性催化剂的库。3）避免死胡同：这种机制有助于防止形成“热力学高度 favored 的（+）（-）链双链体”，一种通常会终止复制的非活性双链产物。

聚合酶活性在序列空间中很“丰富”

也许最令人惊讶的发现是，聚合酶基序并非我们曾经假设的那种"七百万亿分之一"的稀有物。在一个仅有 1.2×1013条序列的随机库中，研究人员识别出了三个不同的、不相关的基序：1）基序 1-30；2）基序 2-30；3）基序 1-40（QT45的前身）。

虽然 1013 听起来很大，但它仅代表40个核苷酸序列空间中 1.2×1024 种可能组合的微小部分。在如此有限的样本中发现三个独特的基序表明，聚合所需的“表型要求”出乎意料地普遍。

据此作者估计：基于适应度 landscapes 映射中核心残基同一性的分析，估计QT核酶折叠结构在随机序列池中的丰度为1.2×10-17。

共晶冰和三体的环境助力

研究人员利用了特定的前生物条件来最大化QT45的潜力。通过在弱碱性共晶冰中工作，他们稳定了核酶——将其半衰期延长至约117天，而像R18这样的大型模型只有16天。研究人员同时将底物浓缩到液体口袋中。

使用三核苷三磷酸（三体）相比单核苷酸提供了几个关键优势：1）结构化模板：三体允许复制结构化RNA，如茎环结构，而这通常会阻碍其他聚合酶。2）链抑制：三体抑制“链复性”，有助于保持（+）和（-）链分离。3）卓越保真度：QT45在合成其互补（-）链时，显示出每核苷酸94.1%的保真度。即使在挑战合成一个复杂的33nt锤头状核酶（seq0-HH）时，它仍保持了92.6%的保真度，在特定测定条件下优于进化程度更高的5TU。

功能致密的核心与重组的作用

通过适应度图景分析，研究人员绘制了QT45的突变敏感性图谱，并将其与较大的5TU进行了比较。结果揭示了一个显著“更陡峭”的图景：1）突变敏感性：QT45突变的适应度变化范围在-11.0到1.6之间，而5TU突变的严重程度较低（-4.6到1.6）。2）功能密度：由于QT45非常小，它缺乏“填充”序列；几乎每个核苷酸都是对活性至关重要的“核心功能残基”。3）重组加速器：有趣的是，研究人员注意到通过非酶促转酯反应形成的全长产物背景水平很低。虽然对于纯粹的催化分析来说这是一个"不便的副反应"，但资深科学家认识到这种重组是一个至关重要的进化工具。它充当了抵御“Muller’s ratchet”（即小种群中有害突变的必然积累）的防御机制。

总结

RNA世界的黄金标准是"闭合循环"——一个单一催化剂合成其互补（-）链，然后再合成一条新的自身（+）链。QT45完成了这一壮举，在72天内以约0.2%的产率产生了两条链。虽然这些反应仍然缓慢，但这一里程碑是毋庸置疑的。

通过利用RNA整体平衡和三体相互作用的涌现特性，QT45提供了第一个具体证据，表明一个小的、非生物的分子能够处理遗传的重任。结合最近对有利于RNA复制的物理化学条件的理解，这为走向RNA催化RNA自我复制的迭代循环指明了一条可行之路。

当我们展望未来时，QT45的成功向该领域提出了一个挑战：我们是否一直在错误的大小类别中寻找生命的起源？也许通向复杂性的道路并非始于大型、复杂的机器，而是始于更可能从早期地球混沌化学中出现的"更小、更致密"的基序。

10.1126/science.adt2760

制版人： 十一

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